ФП: а) рабочая поверхность ШК должна находится в контакте с заготовкой кратковременно и в течение продолжительного времени;

б) рабочая поверхность ШК должна и не должна находится в контакте с заготовкой; рабочая поверхность должна и не должна быть.

Для разрешения противоречия применим прием РПВ4 «Прерывистость»: заменим непрерывный контакт ШК с заготовкой прерывистым.

Теоретические основы прерывистого шлифования можно свести к следующему [17]: температура при шлифование устанавливается не мгновенно. Она быстро возрастает от какой-то нулевой начальной температуры до какого-то установившегося значения Т_у (рис. 4.1, кривая 1).

Рис. 4.1 Изменение температуры шлифования

При этом время Т_у выхода на установившийся температурный режим составляет сотые и тысячные доли секунды. Если прервать процесс в какой-то момент Т₁ < Т_у, которому соответствует температура Т₁ , затем дать возможность шлифуемому участку охладится, потом снова шлифовать в течение времени Т₁ и т.д., можно добиться , что температура шлифования не превзойдет кого-то критического значения Т₀ , при котором в данном материале образуются прижоги (кривая 2).

Реализовать данную схему можно, сделав рабочую поверхность круга прерывистой, выполнив на ней пазы (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Форма шлифовального круга

Правило РПП

Сущность правила РПП: выполняются оба требования ФП, но применительно к разным частям ОТ. Правило РПП включает приемы:

РПП1 «Дробление»: разделить ОТ на части с одинаковыми функциями*;

РПП2 «Деление»: разделить ОТ на части с разными функциями*;

РПП3 «Оптимизация»: разделить ОТ на части так, чтобы каждая часть находилась в оптимальных условиях;

РПП4 «Противоположность»: разделить ОТ на части со свойствами, противоположными свойствам ОТ в целом.

Имеем недостаток: вследствие того, что вокруг быстро вращающегося ШК образуется воздушная подушка, СОЖ не попадает в зону шлифования. Анализируя ситуацию по АВП (задача 3, разд. 3), мы выявили следующее ФП: давление струи СОЖ должно быть большим и малым.

Для разрешения противоречия применим приём РПП2 «Деление»: разделим струю СОЖ на части с разными функциями. Струя должна выполнять две функции: охлаждать зону резанья (основная функция) и пробивать воздушную подушку вокруг круга (вспомогательная функция). Предполагается одну струю - очень тонкую - под большим давлением подавать на круг перед зоной обработки (рис 4.3).

Эта струя будет рассекать воздушную подушку, в результате чего против зоны обработки будет создаваться зона разрежения. В эту зону поливом будем подавать вторую, основную струю СОЖ. СОЖ будет попадать непосредственно в зону обработки и обеспечивать теплоотвод из зоны резанья.

Рис. 4.3 Схема подачи СОЖ

4.2. Совершенствование операции с помощью ВА

Сущность ВА состоит в том, что ТС представляют в виде совокупности взаимосвязанных веществ (В) и полей (П). ТС из трёх элементов - двух веществ и поля их взаимодействия, так называемый веполь - минимальная работоспособная ТС. ВА включает три правила: достройки веполя (ВАД), смены элементов веполя (ВАС) и надстройки веполя (ВАН).

4.2.1. Правило ВАД

Сущность правила ВАД: если ТС состоит из одного или двух элементов, её достраивают до веполя.

Правило ВАД включает приёмы:

ВАД1 «Добавки»: для обнаружения ОТ или управления его свойствами в ОТ вводят добавку В2, которая создаёт поле П;

ВАД2 «Ограниченные добавки»: если введение добавок запрещено, то:

вместо внутренней добавки вводят наружную;

добавку вводят на короткое время;

вводят в малых дозах особоактивную добавку;

добавку вводят в виде химического соединения, из которого она выделяется при работе;

ВАД3 «Максимальный режим»: если невозможно обеспечить оптимальный режим, используют максимальный режим, а избыток убирают.

Один из недостатков шлифовальной операции - большие силы резанья. Силы резанья возникают вследствие деформации обрабатываемого материала в зоне резанья каждым отдельным зерном, а также вследствие трения в контакте зёрен и связки с заготовкой.

Уменьшить силу деформации можно, если применить для заготовки менее прочный материал. Но этого делать нельзя, т.к. прочность материала обусловлена требованиями к работоспособности детали.

Имеем ТП: материал заготовки обеспечивает нормальную работоспособность детали, но его высокая прочность ведет к возникновению большой силы деформации.

ИР: заготовка сама обеспечивает снижение силы деформации, сохраняя работоспособность детали.

ДЭ - материал заготовки.

ФС: материал заготовки должен быть непрочным, чтобы обеспечить снижение силы деформации, и должен быть прочным, чтобы обеспечить работоспособность детали

ФП: материал заготовки должен быть прочным и непрочным.

Для разрешения противоречия применим правило ВАД1 «Добавки». Вепольная схема задачи будет иметь вид:

~ В1 В2 > П > В1

где В1 - заготовка; В2 - вещество, которое надо ввести; П - поле, которое образуется при введении В2, обеспечивающее снижение силы деформации.

Предлагается в качестве В2 ввести поверхностно-активное вещество (ПАВ), ослабляющее поверхностное натяжение обрабатываемого материала и снижающее его прочность [15]. Поскольку каждое ПАВ действует только на определенные вещества и только в определенном диапазоне температур, нам необходимо подобрать такое вещество, которое было бы активно по отношению к стали 40ХГНМ при температуре 500…800°С. Таким веществом, например, является триэтаноламин [18]. Добавление этого ПАВ в СОЖ снижает усилия шлифования на 15…20%.

Однако триэтаноламин, как и большинство ПАВ обладает высокой токсичностью. Попадая на кожу рук, он вызывает поражение кожи, а пары СОЖ с ПАВ могут привести к поражению дыхательных путей. Имеем ФП: СОЖ должна содержать ПАВ, чтобы обеспечить снижение сил резанья, и не должна содержать ПАВ, чтобы предотвратить поражение кожи и дыхательных путей.

Воспользуемся приемом ВАД2 «Ограниченные добавки», а именно: ввести в малых дозах особо активную добавку. Вепольная схема задачи та же , что и в предыдущем случае. Исследования показали, что если содержание триэтаноламина в СОЖ составляет 0,1…0,5%, то в такой концентрации он не является опасным, но сохраняет свои поверхностно-активные свойства. Так, если концентрат СОЖ (так называемый эмульсол) содержит 3% триэтаноламина, а эмульсия содержит 5% эмульсола, то содержание ПАВ в СОЖ составляет 0,05•0,03=0,00015=0,15%

4.2.2. Правило ВАС

Сущность правила ВАС: если вепольная ТС неработоспособна, меняют один из её элементов.

Правило ВАС включает приёмы:

ВАС1 «Изменение»: элемент ТС изменяют, делая его более идеальным, динамичным, дробным, управляемым и т.п.

ВАС2 «Замена»: элемент ТС заменяют более идеальным, динамичным, дробным, управляемым и т.п.

Один из недостатков шлифовальной операции - быстрая засаливаемость ШК, что мы отметили в разд. 1.2. Для устранения засаливания ШК приходиться править, что удорожает операцию.

Имеем ТП: рабочая поверхность ШК не засалена, но частая правка его удорожает операцию.

ДЭ - рабочая поверхность ШК.

ФС: рабочую поверхность необходимо подвергать правке, чтобы устранить засаливание, и не следует подвергать правке, чтобы не удорожать операцию.

ФП: правка должна быть и не должна быть.

Для разрешения противоречия воспользуемся приемом ВАН1 «Видоизмененное вещество». Вепольная схема задачи:

В2>П ~ В1 В2 > В2' > П > В1

где В2' - видоизмененное вещество В2.

Предлагается в качестве В2' ввести в контакт абразивный порошок - видоизмененный ШК. Порошок подают в зону шлифования со струей СОЖ, что препятствует засаливанию рабочей поверхности ШК.

4.3. Совершенствование операции с помощью ЭП.

Сущность метода ЭП состоит в использовании набора выработанных практикой правил и приемов решения ТЗ определенных типов, объединенных общностью ФП для задач данного типа.

Наиболее распространенные ЭП:

1) Объединение-разделение (ЭПО): ОТ необходимо объединить в более крупные ОТ или разделить на более мелкие.

ЭПО1 «Объединение объектов»: объединить однородные ОТ в один ОТ*.

ЭПО2 «Объединение функций»: сделать ОТ способным выполнять функции других объектов*.

ЭПО3 «Матрешка»: разметить ОТ внутри другого ОТ*.

2) Упругость (ЭПУ): ОТ должен содержать упругий элемент.

ЭПУ1 «Упругий элемент»: использовать упругие свойства элемента, заменить жесткий элемент упругим, ввести дополнительно упругий элемент.

ЭПУ2 «Надувной элемент»: использовать надувные и гидронаполняемые элементы, воздушную и гидравлическую подушки.

3) Наоборот (ЭПН): условия задачи следует изменить на противоположные.

ЭПН1 «Противоположное положение»: перевернуть ОТ, наклонить, положить на бок;

ЭПН2 «Противоположное действие»: переменить действие на обратное, сделать движущийся элемент неподвижным, а неподвижный движущимся, изменить направление движения;

4) Криволинейность (ЭПК): ОТ или его элементы должны иметь криволинейную форму.

ЭПК1 «Криволинейный элемент»: перейти от прямолинейных элементов к криволинейным, от равномерной кривизны к неравномерной;

ЭПК2 «Вращение»: перейти от поступательного движения к вращательному*;

ЭПК3 «Качение»: заменить скольжение качением.

5) Динамичность (ЭПД): заменить статическую ТС динамической*.

ЭПД1 «Подвижность»: сделать неподвижное ОТ подвижной, увеличить число степеней свободы*(КВР);

ЭПД2 «Адаптивность»: в процессе работы изменять характеристики ОТ, приближая их к оптимальным;

6) Подобие (ЭПП): использовать копию.

ЭПП1 «Копия объекта»: использовать вместо ОТ его копию.

ЭПП2 «Природный аналог»: выполнить ОТ аналогичным природному аналогу.

7) Вред в пользу (ЭПВ): использовать недостатки ОТ для получения полезного результата.

ЭПВ 1 «Использование»: использовать вредный фактор для получения положительного эффекта;

ЭПВ 2 «Усиление»: усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он перестал быть вредным;

ЭПВ 3 «Сложение»: устранить вредный фактор путем сложения с другим вредным фактором;

ЭПВ 4 «Дешевая недолговечность»: заменить дорогой ОТ набором дешевых, поступившись долговечностью;

ЭПВ 5 «Отходы»: использовать отходы вещества или энергии.

8) Состояние (ЭПС): изменить состояние материала ОТ.

ЭПС1 «Агрегатное состояние»: изменить агрегатное состояние ОТ - жидкое на твердое, газообразное и т.п.*;

ЭПС2 «Консистенция»: изменить концентрацию или консистенцию вещества, применить пасту, порошок, пену, гель;

ЭПС3 «Пористость»: заменить сплошное вещество пористым, заполнить поры веществом с требуемыми свойствами.

Как было отмечено в разд. 1.2, одним из главных недостатков шлифовальной операции является низкая производительность вследствие недостаточной концентрации переходов. В разд. 2.4. предложено маятниковую схему шлифования заменить глубинной, что приводит к сокращению основного времени при обработке шеек 6 и 10 соответственно на 46 и 40%.

Можно попытаться сократить основное время, применив прием ЭПН2 «Противоположное действие». Заменим продольную подачу поперечной (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Шлифование с поперечной подачей

При шлифовании с поперечной подачей время обработки ?₀', мин, определяется выражением (1.1). Составляющие этого выражения изменятся, по сравнению с выражением (1.2):

,

где Z - припуск на обработку, мм;

l_н - недовод круга, мм;

S'_м - скорость поперечной подачи, мм/мин.

Сравнивая выражения (1.2) видим, что при S'_м << S_м будем иметь ?₀'< ?₀.

Разовьем полученное решение, применив прием ЭПО2 «объединение объектов»: объединим во времени шлифование шеек 10 и 6 . Это можно сделать если на шпинделе шлифовального станка закрепить два круга соответствующих диаметров, либо вести процесс одним широким специально спрофилированным кругом. Тогда вместо выражения (1.1) будем иметь:

или

т.е время обработки существенно сократилось.

Еще разовьем решение, воспользовавшись одновременно приемами ЭПО2 «Объединение функций» и ЭПН2 «противоположное действие».

Применим подачу шлифовального круга углового профиля под углом к оси заготовки, например, под углом 60° (рис. 4.5). Тогда одновременно можно обрабатывать все три поверхности 6 , 10 , 5 . Профиль круга при этом формируют при правке.

Основное время определяется теперь выражением:

или

Рис. 4.5 Шлифование с подачей под углом

Здесь возникает еще одна проблема: для обеспечения высокой производительности необходимо, чтобы поперечная подача была достаточно большой, однако, при большой подаче не обеспечивается заданная точность и шероховатость обработки. Поэтому в конце рабочего цикла выполняют выхаживание - шлифование без поперечной подачи (S_M=0) в течении времени ?_вых, мин. Во время выхаживания съем материала шлифовальным кругом осуществляется за счет сил упругого отжатия в контакте круга с заготовкой. Схема такого цикла шлифования приведена на рис. 4.6, а.

Рис. 4.6 Циклы шлифования

Время цикла Т_ц1, мин, определяется суммой:

Т_ц1=?₁+?_вых1

Время цикла можно сократить, если воспользоваться инверсией приема ЭПО1: разделим первую часть цикла шлифования на два периода, которые выполняются с разными подачами: S_м22<S_м21, а S_м21>S_м1. Можно назвать черновой подачей S_м21, а S_м22 чистовой подачей (рис. 4.6,б), ?_вых2<?_вых1, Т_ц2<Т_ц1, т.е. сокращается и время обработки с подачей, и время выхаживания, а в итоге - сокращается цикл обработки. Еще заметнее будет сокращение цикла, если разделить операцию на большое число составляющих (рис. 4.6,в). Наконец, применив прием ЭПК1 «Криволинейность», будем плавно уменьшать подачу S_м до нулевой(рис. 4.6,г), что позволит еще более сократить цикл шлифования.

Мы уже отмечали такой недостаток шлифования как засаливание рабочей поверхности ШК. Для борьбы с этим явлением воспользуемся приемом ЭПП2 «Природный аналог». В природе есть такое явление - кавитация. Это образование в жидкости пузырьков газа или пара. Такие пузырьки образуются под воздействием на жидкость каких-либо внешних факторов, например, механических. Наталкиваясь на какую либо преграду, пузырьки всхлопываются, создавая микровзрывы. Эти микровзрывы разрушают поверхность преграды. В природе действие кавитации мы можем наблюдать при действии морских или речных волн на сооружения - плотины, набережные, дамбы, опоры мостов. Именно в результате огромного числа микровзрывов пузырьков воздуха разрушается поверхность этих сооружений. Используем явление кавитации для борьбы с засаливанием поверхности ШК. Воздействуем на подаваемую в зону шлифования СОЖ УЗ - колебаниями. Возникающее под действием колебаний огромное число пузырьков при всхлопывании будут очищать очищать рабочую поверхность ШК от продуктов засаливания [11].

5. Результаты усовершенствования операции

Перечень усовершенствований шлифовальной операции и эффект от применения сводим в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Результаты усовершенствования шлифовальной операции.

Параметр	По базовому варианту	Метод, правило, прием	По проектному варианту	Результат
1	2	3	4	5
Форма шлифовального круга	Плоский, прямой	ЭПО2 «Объединение функций»	Угловой	Одновременное шлифование шеек и торцов
Диаметр круга	350	КВ, вопрос1	750	Увеличение скорости шлифования и срока службы круга
Ширина круга	20	ЭПО1 «объединение объектов»	130	Одновременное шлифование двух шеек
Форма рабочей поверхности	Сплошная	РПВ4 «Прерывистость»	Прерывистая	Снижение температуры контакта
Форма пазов на рабочей поверхности	-	РПП4 «Противоположность»	Наклонные	Устранение вираций
Абразивный материал	24А	КВ, вопрос 5	91А	Повышение режущей способности и уменьшение износа
Связка шлифовального круга	К5	КВ, вопрос 5	К7	Повышение производительности, снижение температуры, снижение удельного расхода
Схема шлифования	С продольной подачей	ЭПН2 «Противоположное движение»	С подачей под углом	Одновременное шлифование шеек и торца
Регулирование подачи в процессе цикла шлифования	Ступенчатое	ЭПК1 «Криволинейный элемент»	Бесступенчатое по параболическому закону	Уменьшение цикла шлифования
Состав переходов	Последовательное шлифование пов. 6, 10, 5	ЭПО1 «Объединение объектов»	Одновременное шлифование пов. 6, 10, 5	Повышение производительности
Состав СОЖ	Не содержит ПАВ		Содержит ПАВ	Уменьшение силы резанья
Подача СОЖ	Без давления, одной струей	РПП2 «Деление»	Разделенной струей	Попадание СОЖ в зону шлифования
Обработка СОЖ	Не обработана	ЭПП2 «Пригодный аналог	Обработка ультразвуком	Повышение стойкости круга
Очистка круга	-	ВА, решение 5	Гидроабразивная	Повышение стойкости круга

Описание усовершенствованной операции

Операция 110 ТП обработки вала редуктора включает шлифование шеек 6 , 10 и уступа 5 .

Операция выполняется в один переход методом врезной подачи круга под углом.

Заготовка детали - штамповка из стали 40ХГНМ прошла лезвийную обработку и термообработку до твердости HRC=44. Обрабатываемые поверхности 5 , 6 , 10 перед данной операцией имеют точность 10 квалитет и шероховатость Ra=6,3 мкм. Несоосность шеек 6 и 10 составляет 0,05 мм, биение торца 5 - 0,03 мм, что не отвечает требованиям чертежа. Заготовка имеет центровые отверстия, которые после термообработки восстановлены шлифованием. Технологические базы - торец 1 , центровые отверстия и шейка 2 .

Режущий инструмент - шлифовальный круг формы УП 750?130?350 характеристики 91А25СМ18К7 по ГОСТ 2424-75. На конических рабочих поверхностях круга выполнены пазы, расположенные по винтовой линии с перекрытием. Класс точности круга - А по ГОСТ 2424-75. На торцах круга наклеены металлические упрочняющие диски диаметром O500 мм. Стойкость круга между правками - 50 деталей. Правку круга производят профильным алмазным роликом из синтетических алмазов на металлической основе.

Заготовку устанавливают в мембранном патроне с пневмоприводом и поджимают неподвижным задним центром.

Оборудование - торцекруглошлифовальный полуавтомат модели ХШ4-02 Харьковского станкостроительного завода [8], предназначенный для обработки ступенчатых валов методом подачи под углом широким шлифовальным кругом или набором кругов. Габариты обрабатываемой заготовки O280?700, предельные размеры шлифуемой поверхности O80?650. Наибольшие размеры шлифовального круга O750?100. Станок имеет модернизированную шлифовальную бабку с частотой вращения шпинделя 1500 об/мин, что при круге O750 соответствует скорости круга 60 м/с. Частота вращения шпинделя заготовки 100…530 об/мин, регулирование бесступенчатое. Угол разворота шлифовальной бабки 26°34`. Подача на врезание под углом 63°26` в пределах S_м=0,1…2,0 мм/мин, регулирование бесступенчатое с помощью дроссельного устройства. Мощность главного привода N=13 кВт. Станок снабжен прибором активного контроля обработки, но может работать и от жесткого упора. Станок содержит гидрофицированное правящее устройство.

Припуск на обработку составляет 0,5 мм. Размеры обработки O40?90. Точность диаметральных размеров 8 квалитет (допуск IT=0,033 для пов. 10 и IT=0,039 для пов. 6 ), линейных - 14 квалитет (IT=0,62). Шероховатость пов. 6 , 10 Ra=1,6 мкм, пов. 5 Ra=2,5 мкм. Несоосность пов. 6 и 10 до 0,02 мм, торцовое биение пов. 5 - 0,012 мм.

Охлаждающая жидкость - 3%-ный водный раствор эмульсии. Эмульсия содержит 1,5% поверхностно-активного вещества - триэтиламина. Устройство для подачи СОЖ обеспечивает ее разделение на две струи. Одна струя подается через щелевое сопло под высоким давлением и отсекает от зоны обработки воздушный поток от вращающегося круга. Другая, основная струя подается поливом в зону обработки. СОЖ проходит через активизирующую ультразвуковую установку и холодильный аппарат. Ультразвуковые колебания накладываются также на шлифовальный круг.

Литература

1. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - М.: Советское радио. 1977. 220 с.

2. Гордеев А.В. Выбор характеристик абразивного инструмента при обработке конструкционных материалов. Экспресс-информация «Технология автомобилестроения» №5. Тольятти: филиал НИИНавтопрома, 1977, 46 с.

3. Гордеев А.В. Исследование плоского торцевого шлифования алмазными кругами с прерывистой рабочей поверхностью: Автореферат канд. Дисс. - Куйбышев, КПТИ, 1973. 26.

4. Гордеев А.В. Методы решения изобретательских задач в курсовых и дипломных проектах: Учебн. пособие. - Куйбышев: КуАИ, 1988. 73 с.

5. Гордеев А.В. Прогрессивная технология абразивной обработки в автомобилестроении: Обзорная информ. Филиал ЦНИИТЭИавтопрома. - Тольятти, 1987. 66 с.

6. Гордеев А.В. Пути совершенствования станков, инструментов и методов обработки: Метод. указания. - Тольятти: ТолПИ, 1992. 30 с.

7. Гордеев А.В. Расчет и проектирование приспособлений в дипломных проектах: Метод. указания. - Тольятти: ТолПИ, 1992. 38 с.

8. Дьячков В.Б., Кабатов Н.Ф., Носинов М.У. Специальные металлорежущие станки общемашиностроительного применения, - М., Машиностроение, 1983. 288 с.

9. Гордеев А.В., Бабиков В.П., Иотов В.В. Использование прогрессивного абразивного инструмента в автомобилестроении: Обзор. Филиал НИИавтопрома. - Тольятти, 1985. 52 с.

10. Гордеев А.В., Малышев В.И., Седыкин Е.Я. Прогрессивные методы плавки и балансировки шлифовальных кругов в автомобилестроении: Обзорная информ. Филиал ЦНИИТЭИавтопрома. - Тольятти, 1988. 63 с.

11. Левин Б.М., Малышев В.И. Интенсификация процесса шлифования с применением ультразвуковой энергии: Обзорная информ. Филиал ЦНИИТЭИавтосельхозмаша. - Тольятти, 1990. 54 с.

12. Разников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

13. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т.1/Под ред. Косиловой А.Г. - М.: Машиностроение, 1985. 656 с.

14. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т.2/Под ред. Косиловой А.Г. - М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

15. Тальнов Ю.Н. Исследование процесса сверления труднообрабатываемых материалов с применением жидкометаллических сред: Автореф. канд. дисс. - Куйбышев: КПТИ, 1975. 38 с.

16. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. - Л.: Машиностроение, 1979. 248 с.

17. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования. - М.: Машиностроение, 1985. 176 с.

Размещено на Allbest.ru